第一篇：常用半導體器件教案
第一章
常用半導體器件
1.1 半導體基礎知識
1.1.1 本征半導體
一、半導體
1． 概念：導電能力介于導體和絕緣體之間。2． 本征半導體：純凈的具有晶體結構的半導體。
二、本征半導體的晶體結構（圖1.1.1）
1． 晶格：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣。2． 共價鍵
三、本征半導體中的兩種載流子（圖1.1.2）
1． 本征激發：在熱激發下產生自由電子和空穴對的現象。2． 空穴：講解其導電方式； 3． 自由電子
4． 復合：自由電子與空穴相遇，相互消失。5． 載流子：運載電荷的粒子。
四、本征半導體中載流子的濃度
1． 動態平衡：載流子濃度在一定溫度下，保持一定。2． 載流子濃度公式：
ni?pi?K1T3/2e?EGO/(2kT)
自由電子、空穴濃度（cm?5－
3），T為熱力學溫度，k為波耳茲曼常數（8.63?10eV/K），EGO為熱力學零度時破壞共價鍵所需的能量（eV），又稱禁帶寬度，K1是與半導體材料載流子有效質量、有效能級密度有關的常量。
1.1.2 雜質半導體
一、概念：通過擴散工藝，摻入了少量合適的雜質元素的半導體。
二、N型半導體（圖1.1.3）
1． 形成：摻入少量的磷。2． 多數載流子：自由電子 3． 少數載流子：空穴
4． 施主原子：提供電子的雜質原子。
三、P型半導體（圖1.1.4）
1． 形成：摻入少量的硼。2． 多數載流子：空穴 3． 少數載流子：自由電子
4． 受主原子：雜質原子中的空穴吸收電子。
5． 濃度：多子濃度近似等于所摻雜原子的濃度，而少子的濃度低，由本征激發形成，對溫度敏感，影響半導體的性能。
1.1.3 PN結
一、PN結的形成（圖1.1.5）
1． 擴散運動：多子從濃度高的地方向濃度低的地方運動。2． 空間電荷區、耗盡層（忽視其中載流子的存在）3． 漂移運動：少子在電場力的作用下的運動。在一定條件下，其與擴散運動動態平衡。4． 對稱結、不對稱結：外部特性相同。
二、PN結的單向導電性
1． PN結外加正向電壓：導通狀態（圖1.1.6）正向接法、正向偏置，電阻R的作用。（解釋為什么Uho與PN結導通時所表現的外部電壓相反：PN結的外部電壓為U即平時的0.7V，而內電場的電壓并不對PN結的外部電壓產生影響。）
2． PN結外加反向電壓：截止狀態（圖1.1.7）反向電壓、反向偏置、反向接法。形成漂移電流。
三、PN結的電流方程
1． 方程（表明PN結所加端電壓u與流過它的電流i的關系）：
i?IS(euUT?1)
UT?kT
q為電子的電量。q2．平衡狀態下載流子濃度與內電場場強的關系： 3． PN結電流方程分析中的條件：
4． 外加電壓時PN結電流與電壓的關系：
四、PN結的伏安特性（圖1.1.10）
1． 正向特性、反向特性
2． 反向擊穿：齊納擊穿（高摻雜、耗盡層薄、形成很強電場、直接破壞共價鍵）、雪崩擊穿（低摻雜、耗盡層較寬、少子加速漂移、碰撞）。
五、PN結的電容效應
1． 勢壘電容：（圖1.1.11）耗盡層寬窄變化所等效的電容，Cb（電荷量隨外加電壓而增多或減少，這種現象與電容器的充放電過程相同）。與結面積、耗盡層寬度、半導體介電常數及外加電壓有關。2． 擴散電容：（圖1.1.12）
（1）平衡少子：PN結處于平衡狀態時的少子。
（2）非平衡少子：PN結處于正向偏置時，從P區擴散到N區的空穴和從N區擴散到P區的自由電子。
（3）濃度梯度形成擴散電流，外加正向電壓增大，濃度梯度增大，正向電流增大。
（4）擴散電容：擴散區內，電荷的積累和釋放過程與電容器充放電過程相同。i越大、τ越大、UT越小，Cd就越大。
（5）結電容Cj?Cb?Cd
pF級，對于低頻忽略不計。
1.2 半導體二極管
（幾種外形）（圖1.2.1）
1.2.1 半導體二極管的幾種常見結構（圖1.2.2）
一、點接觸型：電流小、結電容小、工作頻率高。
二、面接觸型：合金工藝，結電容大、電流大、工作頻率低，整流管。
三、平面型：擴散工藝，結面積可大可小。
四、符號
1.2.2 二極管的伏安特性 一、二極管的伏安特性
1． 二極管和PN結伏安特性的區別：存在體電阻及引線電阻，相同端電壓下，電流小；存在表面漏電流，反向電流大。
2． 伏安特性：開啟電壓（使二極管開始導通的臨界電壓）（圖1.2.3）
二、溫度對二極管方案特性的影響
1． 溫度升高時，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移。
2． 室溫時，每升高1度，正向壓降減小2～2.5mV；每升高10度，反向電流增大一倍。
1.2.3 二極管的主要參數
一、最大整流電流IF：長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。
二、最高反向工作電壓UR：工作時，所允許外加的最大反向電壓，通常為擊穿電壓的一半。
三、反向電流IR：未擊穿時的反向電流。越小，單向導電性越好；此值對溫度敏感。
四、最高工作頻率fM：上限頻率，超過此值，結電容不能忽略。
1.2.4 二極管的等效電路 一、二極管的等效電路：在一定條件下，能夠模擬二極管特性的由線性元件所構成的電路。一種建立在器件物理原理的基礎上（復雜、適用范圍寬），另一種根據器件外特性而構造（簡單、用于近似分析）。
二、由伏安特性折線化得到的等效電路：（圖1.2.4）
1． 理想二極管：注意符號 2． 正向導通時端電壓為常量
3． 正向導通時端電壓與電流成線性關系 4． 例1（圖1.2.5）三種不同等效分析：（1）V遠遠大于UD，（2）UD變化范圍很小，(3)接近實際情況。5． 例2（圖1.2.6）三、二極管的微變等效電路（圖1.2.7）（圖1.2.8）（圖1.2.9）
動態電阻的公式推倒：
1.2.5 穩壓二極管
一、概念：一種由硅材料制成的面接觸型晶體二極管，其可以工作在反向擊穿狀態，在一定電流范圍內，端電壓幾乎不變。
二、穩壓管的伏安特性：（圖1.2.10）
三、穩壓管的主要參數
1． 穩定電壓UZ：反向擊穿電壓，具有分散性。2． 穩定電流IZ：穩壓工作的最小電流。
3． 額定功耗PZM：穩定電壓與最大穩定電流的乘積。4． 動態電阻rZ：穩壓區的動態等效電阻。
5． 溫度系數α：溫度每變化1度，穩壓值的變化量。小于4V為齊納擊穿，負溫度系數；大于7V為雪崩擊穿，正溫度系數。
四、例（圖1.2.11）
1.2.6 其他類型二極管
一、發光二極管（圖1.2.12）可見光、不可見光、激光；紅、綠、黃、橙等；開啟電壓大。
二、光電二極管（圖1.2.13）遠紅外接受管，伏安特性（圖1.2.14）光電流（光電二極管在反壓下，受到光照而產生的電流）與光照度成線性關系。
三、例（圖1.2.15）
1.3 雙極型晶體管
雙極型晶體管（BJT: Bipolar Junction Transistor）幾種晶體管的常見外形（圖1.3.1）
1.3.1 晶體管的結構及類型（圖1.3.2）
一、構成方式：同一個硅片上制造出三個摻雜區域，并形成兩個PN結。
二、結構：
1． 三個區域：基區（薄且摻雜濃度很低）、發射區（摻雜濃度很高）、集電區（結面積大）；
2． 三個電極：基極、發射極、集電極； 3． 兩個PN結：集電結、發射結。
三、分類及符號：PNP、NPN 1.3.2 晶體管的電流放大作用
一、放大：把微弱信號進行能量的放大，晶體管是放大電路的核心元件，控制能量的轉換，將輸入的微小變化不失真地放大輸出，放大的對象是變化量。
二、基本共射放大電路（圖1.3.3）
1． 輸入回路：輸入信號所接入的基極－發射極回路；
2． 輸出回路：放大后的輸出信號所在的集電極－發射極回路； 3． 共射放大電路：發射極是兩個回路的公共端； 4． 放大條件：發射結正偏且集電結反偏；
5． 放大作用：小的基極電流控制大的集電極電流。
三、晶體管內部載流子的運動（圖1.3.4）分析條件?uI?0
1． 發射結加正向電壓，擴散運動形成發射極電流IE，空穴電流IEP由于基區摻雜濃度很低，可以忽略不計；IE?IEN?IEP
2． 擴散到基區的自由電子與空穴的復合運動形成電流IBN；
3． 集電結加反向電壓，漂移運動形成集電極電流IC，其中非平衡少子的漂移形成ICN，平衡少子形成ICBO。
??ICBO4． 晶體管的電流分配關系：IC?ICN?ICBO，IB?IBN?IEP?ICBO?IB，IE?IB?IC
四、晶體管的共射電流放大系數
1． 共射直流電流放大系數：??ICNIC?ICBO ??IBIB?ICBO2． 穿透電流ICEO：IC??IB?(1??)ICBO??IB?ICEO
基極開路時，集電極與發射極之間的電流；
3． 集電結反向飽和電流ICBO：發射極開路時的IB電流； 4．近似公式：IC??IB，IE?(1??)IB
5． 共射交流電流放大系數：當有輸入動態信號時，???ic ?iB6． 交直流放大系數之間的近似：若在動態信號作用時，交流放大系數基本不變，則有iC?IC??iC??IB?ICEO???iB??(IB??iB)?ICEO因為直流放大系數在線性區幾乎不變，可以把動態部分看成是直流大小的變化，忽略穿透電流，有：???，放大系數一般取幾十至一百多倍的管子，太小放大能力不強，太大性能不穩定；
7． 共基直流電流放大系數：??ICN??，??，??
1??IE1???iC，??? ?iE8． 共基交流電流放大系數：??
1.3.3 晶體管的共射特性曲線
一、輸入特性曲線（圖1.3.5）iB?f(uBE)u的能力有關。
二、輸出特性曲線（圖1.3.6）iC?f(uCE)IB?常數CE?常數，解釋曲線右移原因，與集電區收集電子
（解釋放大區曲線幾乎平行于橫軸的原因）
1． 截止區：發射結電壓小于開啟電壓，集電結反偏，穿透電流硅1uA，鍺幾十uA；
2． 放大區：發射結正偏，集電結反偏，iB和iC成比例；
3． 飽和區：雙結正偏，iB和iC不成比例，臨界飽和或臨界放大狀態（uCB?0）。
1.3.4 晶體管的主要參數
一、直流參數
1． 共射直流電流系數? 2． 共基直流電流放大系數? 3． 極間反向電流ICBO
二、交流參數 1． 共射交流電流放大系數? 2． 共基交流電流放大系數?
3． 特征頻率fT：使?下降到1的信號頻率。
三、極限參數（圖1.3.7）
1． 最大集電極耗散功率PCM；
2． 最大集電極電流ICM：使?明顯減小的集電極電流值；
3． 極間反向擊穿電壓：晶體管的某一電極開路時，另外兩個電極間所允許加的最高反向電壓，UCBO幾十伏到上千伏、UCEO、UEBO幾伏以下。
UCBO?UCEX?UCES?UCER?UCEO
1.3.5 溫度對晶體管特性及參數的影響
一、溫度對ICBO影響：每升高10度，電流增加一倍，硅管的ICBO要小一些。
二、溫度對輸入特性的影響：（圖1.3.8）與二極管伏安特性相似。溫度升高時，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移，室溫時，每升高1度，發射結正向壓降減小2～2.5mV。
三、溫度對輸出特性的影響：（圖1.3.9）溫度升高?變大。
四、兩個例題
1.3.6 光電三極管
一、構造：（圖1.3.10）
二、光電三極管的輸出特性曲線與普通三極管類似（圖1.3.11）
三、暗電流：ICEO無光照時的集電極電流，比光電二極管的大，且每上升25度，電流上升10倍；
四、光電流：有光照時的集電極電流。
1.4 場效應管
1.4.1 結型場效應管 1.4.2 絕緣柵型場效應管
一、N溝道增強型MOS管（圖1.4.7）
1． 結構：襯底低摻雜P，擴散高摻雜N區，金屬鋁作為柵極； 2． 工作原理：
(1)柵源不加電壓，不會有電流；
(2)（圖1.4.8）uDS?0且uGS?0時，柵極電流為零，形成耗盡層；加大電壓，形成反型層（導電溝道）；開啟電壓UGS(th)；
(3)（圖1.4.9）uGS?UGS(th)為一定值時，加大uDS，iD線性增大；但uDS的壓降均勻地降落在溝道上，使得溝道沿源－漏方向逐漸變窄；當uGD＝UGS(th)時，為預夾斷；之后，uDS增大的部分幾乎全部用于克服夾斷區對漏極電流的阻力，此時，對應不同的uGS就有不同的iD，從而可以將iD看為電壓uGSiD出現恒流。控制的電流源。
3． 特性曲線與電流方程：(1)特性曲線：（圖1.4.10）轉移特性、輸出特性；
?u?(2)電流方程：iD?IDO?GS?1?
?U??GS(th)?
二、N溝道耗盡型MOS管（圖1.4.10）
1． 結構：絕緣層加入大量的正離子，直接形成反型層； 2． 符號
三、P溝道MOS管：漏源之間加負壓
四、VMOS管
21.4.3 場效應管的主要參數
一、直流參數
1． 開啟電壓UGS(th)：是UDS一定時，使iD大于零所需的最小UGS值；
2． 夾斷電壓UGS(off)：是UDS一定時，使iD為規定的微小電流時的uGS；
3． 飽和漏極電流IDSS：對于耗盡型管，在UGS＝0情況下，產生預夾斷時的漏極電流； 4． 直流輸入電阻RGS(DC)：柵源電壓與柵極電流之比，MOS管大于10?。
二、交流參數
1． 低頻跨導：gm?9?iD?uGS
UDS?常數2． 極間電容：柵源電容Cgs、柵漏電容Cgd、1～3pF，漏源電容Cds0.1～1pF
三、極限參數
1． 最大漏極電流IDM：管子正常工作時，漏極電流的上限值； 2． 擊穿電壓：漏源擊穿電壓U(BR)DS，柵源擊穿電壓U(BR)GS。3． 最大耗散功率PDM：
4． 安全注意：柵源電容很小，容易產生高壓，避免柵極空懸、保證柵源之間的直流通路。
四、例
1.4.4 場效應管與晶體管的比較
一、場效應管為電壓控制、輸入電阻高、基本不需要輸入電流，晶體管電流控制、需要信號源提供一定的電流；
二、場效應管只有多子參與導電、穩定性好，晶體管因為有少子參與導電，受溫度、輻射等因素影響大；
三、場效應管噪聲系數很小；
四、場效應管漏極、源極可以互換，而晶體管很少這樣；
五、場效應管比晶體管種類多，靈活性高；
六、場效應管應用更多。
1.5 單結晶體管和晶閘管 1.6 集成電路中的元件
第二篇：說課稿-半導體器件
尊敬的各位領導、各位老師下午好，我今天說課的題目是：平衡PN結
一、分析教材
首先我對本節的教材內容進行分析：
《半導體器件物理》是應用物理學專業的一門重要專業方向課程。通過本課程的學習，使學生能夠結合各種半導體的物理效應掌握常用和特殊半導體器件的工作原理，從物理角度深入了解各種半導體器件的基本規律。PN結是構成各類半導體器件的基礎，如雙極型晶體管、結型場效應晶體管、可控硅等，都是由PN結構成的。PN結的性質集中反映了半導體導電性能的特點，如存在兩種載流子、載流子有漂移運動、擴散運動、產生與復合三種基本運動形式等。獲得在本課程領域內分析和處理一些最基本問題的初步能力，為進一步深入學習和獨立解決實際工作中的有關問題奠定一定的基礎。
根據以上分析，結合本節教學要求，再聯系學生實際，我確立了以下教學目標：
1、知識目標
(1)了解PN結的結構、制備方法；
(2)掌握平衡PN結的空間電荷區和能帶圖；
(3)掌握平衡PN結的載流子濃度分布。
2、能力目標
(1)通過典型圖例，指導學生進行觀察和認識PN結，培養學生的觀察現象、分析問題以及理論聯系實際的能力；
(2)指導學生自己分析，借助教材和圖例，培養學生的動手能力以及通過實驗研究問題的習慣；
3、情感目標
(1)培養學生學習半導體器件物理的興趣，進而激發學生對本專業熱愛的激情；
(2)培養學生科學嚴謹的學習態度。
考慮到一方面學生的文化基礎比較薄弱，綜合解決問題的能力有待提高，另一方面，對于高職類學校的學生而言，要求有較強的動手能力，我把教學的重點和難點設置如下：
1、教學重點
平衡p–n結空間電荷區的形成；平衡p–n結的能帶圖
2、教學難點
平衡p–n結中載流子的分布
二、說教法
興趣是推動學生求知欲的強大動力，在教學中把握學生好奇心的特點至關重要。另一方面，在教學課堂中，不僅要求傳授書本的理論知識，更要注重培養學生的思維判斷能力、依據理論解決實際問題的能力以及自學探索的能力。據此，我準備以演示法和引導式教學為主，遵循學生為學生為主體，教師為主導的原則，通過講授理論知識，使學生獲得必要的感性認識，讓疑問激起他們的學習研究興趣，然后再引導學生掌握必要的基礎知識，最后在開放的課堂上提供學生進一步研究的機會，滿足他們的好奇心，開發他們的創新潛力。
三、說學法
學生是教學活動的主體，教學活動中要注意學生學法的指導，使學生從“學會”轉化為“會學”。根據教學內容，本節采用觀察、分析的學習方法，在做好演示圖例的同時，引導學生合作討論，進而獲取知識。
另外，在教學過程中，我還會鼓勵學生運用探究性的學習方法，培養他們發現、探究、解決問題的能力。
四、說教學過程
為了完成教學目標，解決教學重點，突破教學難點，課堂教學我準備按以下幾個環節展開：
1、新課導入
通過半導體物理基礎的學習，分析了P型和N型半導體中的載流子濃度分布和運動情況，如果將P型和N型半導體結合在一起，在二者的交界處就形成了PN結。首先學習PN結。引出問題：什么是PN結？
設計意圖：通過問題的提出，引導學生形成對所學事物的輪廓，豐富他們的感性認識，吸引學生的注意力和好奇心。
2、講解新課
通過講解在本征半導體中參入不同雜質，引出半導體的一個特殊結構：PN結。
(1)講解PN結
用圖示演示PN結的基本結構，兩種不同類型的半導體：P型半導體和N型半導體。為了加深學生的理解，可以采用情景教學的方式，讓學生在輕松有趣的互動游戲中掌握枯燥的概念。
(2)平衡PN結的空間電荷區和能帶圖
通過圖例展示，教師講解平衡PN結空間電荷區的形成和能帶圖，然后讓學生復述，傾聽學生自己的理解，在此基礎上進一步分析，講解各名詞的概念：擴散、漂移、空間電荷區、自建電場、勢壘、勢壘區。
(3)平衡PN結的接觸電勢差
由此，也進一步引出N區和P區之間存在電勢差，稱為PN結的接觸電勢差。給出n區電子濃度、p區空穴濃度的公式，引導學生推導接觸電勢差。
(4)平衡PN結的載流子濃度分布
通過圖示回顧上課過程中提到的空間電荷區、自建電場、擴散、漂移、載流子的耗盡等概念，總結平衡PN結的載流子濃度分布并給出示意圖。
3、歸納總結，布置作業
設計問題，由學生回答問題,通過設問回答補充的方式小結，學生自主回答三個問題，教師關注全體學生對本節課知識的掌握程度，學生是否愿意表達自己的觀點。
(1)什么是PN結？
(2)PN結的制備方法有哪些？
(3)平衡PN結的空間電荷區是如何形成的？
(4)平衡PN結的能帶圖中費米能級的作用？
(5)平衡PN結接觸電勢差的推導過程？
設計意圖：通過提問方式引導學生進行小結，養成學習——總結——再學習的良好習慣，發揮自我評價作用，同時可培養學生的語言表達能力。作業分層要求，做到面向全體學生，給基礎好的學生充分的空間，滿足他們的求知欲。
五、板書設計
采用三欄式
以上，我從教材、教法、學法、教學過程和板書設計五個方面對本課進行了說明，我的說課到此結束，謝謝各位評委老師。
第三篇：《模擬電子技術》教案：半導體器件
《模擬電子技術》電子教案
授 課 教 案
課程： 模擬電子技術
任課教師：
教研室主任：
課號：
課題： 電子線路課程介紹及半導體基礎知識
教學目的：了解本課程的特點
掌握半導體材料的導電特性和原理 掌握PN結的單向導電性
教學內容：本征半導體；雜質半導體；PN結
教學重點：P型、N型半導體的特點；PN結的單向導電性。教學難點：PN結的伏安特性；PN結的電容效應。教學時數：2學時
課前提問及復習：物質導電性的決定因素？ 新課導入：半導體定義
特點:導電能力可控（受控于光、熱、雜質等）典型半導體材料:硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等
新課介紹：
緒 論
1、電子技術：
無確切定義。因為近年來它發展迅猛，分支龐雜。有種說法為“凡是研究含有電子器件的電路、系統及應用的學科”。
2、發展歷程：
以電子器件的更新換代為標志！
電子學近百年發展史上三個重要里程碑：
A、1904年電子管發明（真正進入電子時代）B、1948年晶體管問世
C、60年代集成電路出現(SSI、MSI、LSI、VLSI)
3、若干蓬勃發展的研究方向
A、納米電子學：納米空間電子所表現出來的特性（波動性）和功能 B、生物電子學：生物芯片，計算機
C、單芯片系統：微型衛星和納米衛星應用，一片單芯片系統＝一顆衛星
世界經濟興衰波動遵循“周期理論”，周期約為 60年。電子技術的發展進程周期約 40年： 1905～1947（42年）：電子管－晶體管 1947～1987（40年）：晶體管－集成電路
1987～2027（40年），預計納米電子學將在21世紀上葉形成規模
4、模擬信號與數字信號比較表
第1章
第1頁
共10頁
《模擬電子技術》電子教案
項目 模擬信號(Analog)數字信號(Digital)特點 波形 數學 電平數 典型 發展 連續 十進制 無窮多個 溫度、壓力等 早、慢 離散 二進制 有限個 數字系統的信號 晚、快
5、課程特點
規律性：基本電子電路的組成具有規律性； 非線性：半導體器件具有非線性； 工程性：即近似性，抓主要矛盾； 實踐性：實驗和設計。
第一章
半導體器件
1.1 半導體
1.1.1 本征(intrinsic)半導體
1、定義：
純凈無摻雜的半導體。
2、本征半導體的載流子：
本征半導體有兩種載流子，即自由電子和空穴均參與導電。
并且自由電子與空穴是成對產生的，因此在本征半導體中這兩種載流子的濃度的相等的。其載流子濃度取決于激發程度。
3、本征半導體缺點：（1）、電子濃度=空穴濃度；
（2）、載流子少，導電性差，溫度穩定性差。1.1.2 雜質半導體
1、N型半導體：
在本征半導體中摻入+5價的施主雜質，如磷等，得到多子為自由電子的雜質半導體，稱為N型半導體。
其多子數量大多數取決于摻雜程度，少子數量取決于激發程度。
2、P型半導體：
在本征半導體中摻入+3價的受主雜質，如銦等，得到多子為空穴的雜質半導體，稱為P型
第1章
第2頁
共10頁
《模擬電子技術》電子教案
半導體。其多子數量大多數取決于摻雜程度，少子數量取決于激發程度。
1.1.3 PN結
1、PN結的形成：
兩種載流子的兩種運動動態平衡時形成PN結。
兩種運動：擴散（濃度差）、漂移（自建電場力），當多子擴散和少子漂移達到動態平衡，形成PN結。
PN結又稱空間電荷區、耗盡層、內電場。
2、單向導電性：
PN結正偏時導通（大電流），PN結反偏時截止（小電流）。
3、PN結的伏安特性：
分為正向特性、反向特性及擊穿特性。
4、PN結的電容效應：
表現為：勢壘電容CB（barrier）、擴散電容CD（diffusion）。
課堂小結：
本征半導體的材料構成、特點
雜質半導體的材料構成、特點，與本征半導體的區別 PN結的構成及伏安特性，單向導電性
作業布置：
思考題：PN結的單向導電性？
第1章
第3頁
共10頁
《模擬電子技術》電子教案
授 課 教 案
課程： 模擬電子技術
任課教師：
教研室主任： 課號：
課題：半導體二極管
教學目的：掌握半導體二極管的幾種常見結構
掌握半導體二極管的主要參數和單向導電性 掌握穩壓管的特性和主要參數
教學內容：半導體二極管的結構
半導體二極管的伏安特性、主要參數
二極管的等效電路
穩壓管的特性和主要參數 教學重點：二極管的單向導電特性 教學難點：二極管的靈活應用 教學時數： 2學時
課前提問及復習：PN結的形成
PN 結的單向導電性
新課導入： 由PN結構成的半導體二極管的結構
二極管的伏安特性
二極管的主要參數，等效電路
利用二極管反向擊穿特性制成穩壓管
新課介紹： 1.2半導體二極管
將PN結加外殼和電極引線就構成半導體二極管 1.2.1 結構類型和符號
類型：點接觸型、面接觸型和平面 1.2.2 伏安特性 一、二極管和PN結伏安特性的區別
與PN結相似，二極管具有單向導電性：（1）PN結外加正向電壓，二極管導通。（2）PN結外加反向電壓，二極管截止。
由于半導體體電阻和引線電阻的作用，與PN結比較，二極管外加正向電壓時，正向電流，偏小，外加反向電壓時，反向飽和電流偏大。
二極管經常應用于以下場合：（1）整流。（2）限幅。（3）邏輯（二極管邏輯）。1.2.3 主要參數
第1章
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《模擬電子技術》電子教案
(1)IF——最大整流電流
(2)VBR——反向擊穿電壓
(3)IR（IS）—— 反向飽和電流
(4)rd ——動態電阻 1.2.4二極管的等效電路
定義：能夠模擬二極管特性的電路稱為二極管的等效電路。
一、由伏安特性折線化得到的等效電路
理想二極管：二極管導通時正向壓降為零，截止時反向電流為零。二、二極管的微變等效電路 1.2.5穩壓二極管
穩壓管在反向擊穿時，在一定的電流范圍內，端電壓幾乎不變，表現出穩壓特性。
一、穩壓管的伏安特性
應用在反向擊穿區（雪崩擊穿和齊納擊穿）
二、穩壓管的主要參數
（1）、穩定電壓UZ
（2）、穩定電流IZ
IZmin ~IZmax、額定功耗
（3）
PZM、動態電阻rZ
（4）（5）、溫度系數
穩壓二極管在工作時應反接，并串入一只電阻。
電阻的作用： 限流保護
誤差調節 1.2.6 特殊二極管
一、發光二極管
二、光電二極管
課堂小結：半導體二極管的伏安特性
半導體二極管的主要參數
二極管的等效電路
穩壓管的特性和主要參數 思考問題：
如何用萬用表判斷二極管的好與壞、測試二極管的P、N極？
作業布置：
1.4
1.5
1.9
第1章
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《模擬電子技術》電子教案
授 課 教 案
課程： 模擬電子技術
任課教師：
教研室主任： 課號：
課題：雙極型晶體管 教學目的：掌握常用晶體管的基本工作原理
掌握晶體管的特性、主要參數 能夠合理選擇，正確使用晶體管。
教學內容：晶體管的結構及類型
晶體管的電流放大作用、電流放大系數
晶體管的共射特性曲線
晶體管的主要參數
溫度對晶體管特性及參數的影響
光電三極管
教學重點：三極管工作在放大區的條件和特點 教學難點：三極管工作區的判斷 教學時數： 2學時
課前提問及復習：PN結的形成
PN結所具有的單向導電性 穩壓二極管
新課導入：半導體三極管工作原理
半導體三極管的特性曲線
新課介紹： 1.3 半導體三極管
1.3.1 晶體管的結構與類型：
在同一個硅片上制造出三個摻雜區域，并形成兩個PN結，構成晶體管。
這三個區域分別稱基區、集電區、發射區。
對應的電極分別為：基極b、集電極c、發射極e。
兩種類型：NPN和PNP 1.3.2晶體管的電流放大(控制)作用
共射放大電路：發射極是輸入、輸出回路的公共端。
晶體管工作在放大狀態的外部條件：發射結正向偏置，且集電結反向偏置。
一、晶體管內部載流子的運動
1、發射結加正向電壓，擴散運動形成發射極電流IE。
2、擴散到基區的自由電子與空穴的復合運動形成基極電流IB。
3、集電結加反向電壓，漂移運動形成集電極電流IC。
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《模擬電子技術》電子教案
二、晶體管的電流分配關系
從外部看：IE = IC+ IB
三、晶體管的共射電流放大系數
β：共射電流放大系數（支流放大系數和交流放大系數近似相等）IC=βIB 1.3.3 特性曲線
描述晶體管各電極之間電壓、電流的關系。
一、輸入特性曲線：
方程： iB=f(vBE)? vCE=const
與PN結的伏安特性相類似，呈指數關系
二、輸出特性曲線：
方程： iC=f(vCE)? iB=const
有三個工作區域：
1、截止區
發射結電壓小于開啟電壓UON且集電結
反向偏置。此時，可以認為ic=0。
2、放大區
發射結正向偏置且集電結反向偏置。此時
ic幾乎取決于IB，與uCE無關，表現出IB對ic的控制作用。
3、飽和區
發射結與集電結均處于正向偏置，此時ic不僅與IB有關，而且明顯隨Uce增大而增大。對于小功率管，可以認為當Uce=Ube時，晶體管處于臨界飽和（臨界放大）狀態。1.3.4 晶體管的主要參數
一、直流參數
1、共射直流電流放大系數
2、共基直流電流放大系數
3、極間反向電流
二、交流參數
1、共射交流電流放大系數
2、共基交流電流放大系數
3、特征頻率
三、極限參數
1、最大集電極耗散功率PCM
2、最大集電極電流ICM
3、極間反向擊穿電壓
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《模擬電子技術》電子教案
由PCM、ICM和V(BR)CEO在輸出特性曲線上可以確定三區：過流區、過損區、過壓區。1.3.5 溫度對晶體管特性及參數的影響
一、溫度對ICBO的影響
溫度每升高10度，ICBO增加約一倍。
二、溫度對輸入特性的影響
溫度升高，iB增大。
三、溫度對輸出特性的影響
溫度升高，ICEO、β增大。1.3.6 光電三極管
光電三極管依據光照的強度來控制集電極電流的大小。
課堂小結：晶體管的結構及類型
晶體管的電流放大系數
晶體管的共射特性曲線
晶體管的主要參數
溫度對晶體管特性及參數的影響
思考題：如何用萬用表判斷三極管的三個管腳及好壞？
作業布置：1.16 1.17 1.18
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《模擬電子技術》電子教案
授 課 教 案
課程： 模擬電子技術
任課教師：
教研室主任： 課號：
４
課題： 場效應管
教學目的：熟練掌握結型場效應管、絕緣柵型場效應管的構造原理和特性參數 教學內容：結型場效應管的形成原理和特性參數
絕緣柵型場效應管的構造原理和特性參數
教學重點：場效應管的工作原理 教學難點：場效應管的恒流區工伯原理 教學時數： 2學時
課前提問及復習：半導體三極管的工作原理
半導體三極管的特性曲線
新課導入：結型場效應管的構造原理和特性參數
絕緣柵型場效應管的構造原理及應用場合
新課介紹：
概念：場效應管是利用輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件。按結構分有兩類：結型、絕緣柵型 1.4.1 結型場效應管
柵極g
漏極d
源極s 導電溝道
一、結型場效應管的工作原理
1、當uDS=0時，uGS對導電溝道的控制作用。
2、當uDS為UGS（off）~0中某一固定值時，uDS對漏極電流iD的影響。
3、當uGD〈UGS（off）時，uGS對iD的控制作用。低頻跨導gm
二、結型場效應管的特性曲線
1、輸出特性曲線
場效應管有三個工作區域： 可變電阻區、恒流區、夾斷區
2、轉移特性
1.4.2 絕緣柵型場效應管
特點： 絕緣柵型場效應管的柵極與源極、柵極與漏極之間均采用SiO2絕緣層隔離。
具有四種類型：N溝道增強型管、N溝道耗盡型管、P溝道增強型管、P溝道耗盡型管。
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《模擬電子技術》電子教案
一、N溝道增強型管
1、工作原理
開啟電壓UGS（th）
2、特性曲線與電流方程
二、N溝道耗盡型管
在SiO2絕緣層中摻入大量正離子，便可得到耗盡型管。
其符號如圖所示：
Ｐ４３頁所示場效應管的符號及特性
1.4.３ 場效應管的主要參數
一、直流參數
開啟電壓UGS（th）、夾斷電壓UGS（off）、飽和漏極電流ＩＤＳＳ、直流輸入電阻ＲＧＳ（ＤＣ）
二、交流參數
低頻跨導gm、極間電容、三、極限參數
最大漏極電流ＩＤＭ、擊穿電壓、最大耗散功率ＰＤＭ 1.4.４ 場效應管與晶體管的比較：
1、場效應管輸入電阻高。
2、場效應管的溫度穩定性更好。
3、場效應管的噪聲系數小。
4、場效應管的漏極和源極可以互換使用。
5、場效應管的種類更多。課堂小結：
結型場效應管的構造原理和特性參數 絕緣柵型場效應管的構造原理和特性參數
作業布置：1.23
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第四篇：第一章 半導體器件 模電教師教案
模擬電子技術
教案
授課人：王旭東
第一章 半導體器件
課時分配: 6學時
目的要求：了解半導體二極管；穩壓管；晶體管和MOS場效應管的工作原理和主要參數。
重 點：PN結的單向導電特性；二極管的伏安特性曲線；三極管的電流分配方式和電流放大作用。
難 點：二極管的基本電路及分析方法；二極管的伏安特性曲線；三極管的電流分配方式和電流放大作用。
教 學
方法手段: 結合多媒體電子課件, 啟發式、互動式講解；屏幕投影、黑板、模型實物及實物投影四體合一課堂教學手段；理論講解和電路仿真同步。
教 具： 電子課件、計算機、投影、電子展臺。
新 授： 0 引言
模擬電子電路的核心是半導體器件，而半導體器件是由半導體材料制成的。因此，我們必須首先了解半導體的有關知識，尤其應當了解半導體的導電特性。1.1 半導體的特性
物質按其導電能力的強弱，可分為導體、絕緣體和半導體。
一、導體
導電能力很強的物質，叫導體。如低價元素銅、鐵、鋁等。
二、絕緣體
導電能力很弱，基本上不導電的物質,叫絕緣體.如高價惰性氣體和橡膠、陶瓷、塑料等高分子材料等.三、半導體
導電能力介于導體和絕緣體之間的物質，叫半導體。如硅、鍺等四價元素，其簡化原子結構模型如圖1.1.1所示。
為什么物質的導電能力有如此大的差別呢？這與它們的原子結構有關，即與它們的原子最外層的電子受其原子核束縛力的強弱有關。1.1.1 本征半導體
純凈且呈現晶體結構的半導體，叫本征半導體。
一、本征半導體結構
通過特殊工藝加工，可以使硅或鍺元素的原子之間靠共有電子對—共價鍵，形成非常規則的晶體點陣結構。結果每個原子外層相對排滿８個電子，形成相對穩定的狀態。這種結構整齊且單一的純凈半導體，叫本征半導體。如圖1.1.3所示
二.本征激發
在常溫下，由于熱能的激發，使本征半導體共價鍵中的價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子。同時，在共價鍵中留下一個空位，叫空穴。這種產生自由電子和空穴對的現象，叫本征激發。溫度一定，自由電子和空穴對的濃度也一定。
由于本征激發而在本征半導體中存在一定濃度的自由電子（帶負電荷）和空穴（帶正電荷）對，故其具有導電能力，但其導電能力有限。1.1.3 雜質半導體
在本征半導體中摻入適量且適當的其他元素（叫雜質元素），就形成雜質半導體，其導電能力將大大增強。
一、Ｎ型半導體
在硅或鍺本征半導體中摻入適量的五價元素（如磷），則磷原子與其周圍相鄰的四個硅或鍺原子之間形成共價鍵后，還多出一個電子，這個多出的電子極易成為自由電子參與導電。同時,因本征激發還產生自由電子和空穴對。結果,自由電子成為多數載流子(稱多子),空穴成為少數載流子(稱少子)。這種主要依靠多數載流子自由電子導電的雜質半導體，叫N型半導體，如圖1.1.4所示。
二、P型半導體
在硅或鍺本征半導體中，摻入適量的三價元素（如硼），則硼原子與周圍的四個硅或鍺原子形成共價鍵后，還留有一個空穴。同時，因本征激發 還產生自由電子和空穴對。結果，空穴成為多子，自由電子成為少子。這種主要依靠多子空穴導電的雜質半導體，叫P型半導體。如圖1.1.5所示。
無外電場作用時，本征半導體和雜質半導體對外均呈現電中性，其內部無電流。
本征半導體、P型和N型半導體都不能單獨構成半導體器件，PN結才是構成半導體器件的基本單元。1.2 半導體二極管
半導體二極管是利用雜質半導體做成的。1.2.1 PN結的形成
一、多數載流子的擴散
在P型和N型半導體交界面兩側,電子和空穴的濃度差很大。在濃度差的作用下，P區中的多子空穴向N區擴散,在P區一側留下雜質負離子,在N區一側集中正電荷;同時，N區中的多子自由電子向P區擴散，在N區一側留下雜質正離子，在P區一側集中負電荷。結果，在P型和N型半導體交界面處形成空間電荷區，自建內電場ε內（從N區指向P區），如圖1-6所示。
二、少數載流子的漂移
在內電場的作用下，P區中的少子自由電子向N區漂移，而N區中的少子空穴向P區飄移，使內電場削弱。
三、擴散與漂移的動態平衡 當內電場達到一定值時，多子的擴散運動與少子的漂移運動達到動態平衡時，空間電荷區不再變化，這個空間電荷區，就稱為PN結。
空間電荷區無載流子停留，故曰耗盡層，又叫阻擋層或勢壘層。無外電場作用時，PN結內部雖有載流子運動，但無定向電流形成。1.2.2 PN結的單向導電特性
一、PN結加正向電壓
PN結加正向電壓（正偏）時，外電場與內電場反方向，使空間電荷區變窄，多子的擴散運動遠大于少子的漂移運動，由濃度大的多子擴散形成較大的正向電流，PN結處于導通狀態。此時，其正向通態電阻很小，正向通態管壓降也很小。
二、PN結加反向電壓
PN結加反向電壓（反偏）時，外電場與內電場同方向，使空間電荷區變寬，多子擴散運動大大減弱，而少子的漂移運動相對加強，由濃度很小的少子漂移形成很小的反向飽和電流IS,PN結處于截止狀態。此時，反向電阻很大。
PN結正偏時導通，反偏時截止，故具有單向導電特性。其特性曲線如 圖1-8所示，電壓U與電流I的關系式為
ID=IS（e?1）
三、反向擊穿
當PN結所加反向電壓達到UB時，其反向電流急劇增加，叫反向擊穿，UB叫擊穿電壓。
PN結有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種擊穿狀態。無論處于何種擊穿時，反向電流只要不超過允許值，去掉反向電源后，仍能恢復單向導電性。
四、PN結的電容效應 1.勢壘電容CT 當PN結的反偏電壓變化時，空間電荷區隨之變寬（相當于充入電荷）或變窄（相當于放出電荷），故具有電容效應，叫勢壘電容，用CT表示。2.擴散電容CD 當PN結的正偏電壓變化時，P區和N 區中多子的濃度和濃度梯度均隨之變化，也具有一定的電容效應，叫擴散電容，用CD表示 3.PN結的結電容CJ CJ=CT+CD
正偏時，CD起主要作用；反偏時，CT起主要作用。1.2.3 半導體二極管 一、二極管的結構
給PN結加上兩個引線（管腳）和管殼即成二極管，接P區的管腳稱陽極，接N區的管腳稱陰極。二、二極管的類型 1.按結構區分
點接觸型：PN結面積小，工作電流小，PN結電容小，工作頻率高。面接觸型：PN結面積大，工作電流大，PN結電容大，工作頻率低。2.按工作頻率區分 有高頻管和低頻管。3.按功率區分
有大功率管和小功率管。4.按用途區分
有普通管、整流管、穩壓管、開關管等等。三、二極管的特性
1.正向特性，與PN結相同 UPUT2.反向特性，與PN結相同 3.擊穿特性，與PN結相同
4.溫度特性，溫度升高時，二極管的正反向特性曲線均向縱軸靠近。
四、主要參數
1.最大整流電流IF，又叫額定電流。2.最大反向工作電壓UR，又叫額定電壓。3.反向飽和電流IS。
4.反向電流IR，二極管未擊穿時的電流值。5.最高工作頻率fM。
6.直流電阻RD：RD=UD/IF，如圖1-14所示。
7.交流電阻rd：RD=ΔUD/ΔID=dud/did,如圖1-15所示。
rd系指某一工作點的動態電阻。常溫下，rd=UT/ID=26(mv)/IDQ IDQ為直流工作點的電流，單位為mA 1.2.4 穩壓二極管
一、結構
結構與普通二極管相似，只是摻雜濃度比普通二極管大得多，通常為硅材料穩壓二極管。
二、特性
正向特性曲線與普通二極管的正向特性曲線相似；反響未擊穿的特性曲線與普通二極管的反向擊穿時的特性曲線相似。但穩壓二極管的反向擊穿特性曲線很陡。如圖1-16所示。
三、參數
1.穩定電壓UZ 2.穩定電流IZ 3.額定功率PZ
4.動態電阻rZ，rZ=ΔUZ/ΔIZ，rZ很小。
5.電壓溫度系數α。α=ΔUZ/Ut × 100%。UZ>7V時，α為正溫度系數；UZ<5V時，α為負溫度系數；5V 一、發光二極管 將電能轉換為光能的半導體器件。正偏時，有正向電流通過而發光，其正向通態管壓降為1.8—2.2V.二、光電二極管 將光能轉換為電能的半導體器件。反向偏置下，當光線強弱改變時，光電二極管的反向電流隨之改變。 三、光電耦合器 光電耦合器由光電二極管和發光二極管組合封裝而成。發光二極管為輸入端，光電二極管輸出端。 四、變容二極管 變容二極管的勢壘電容隨外加反向電壓變化而變化。1.3 雙極型三極管 半導體三極管又稱為晶體管或雙極性三極管，是組成各種電子電路的核心器件。 1.3.1 三級管的結構和類型 一、結構 三極管有兩個結，三個電極，三個區組成。 兩個結：發射結和集電結 三個極：發射極E，基極B，和集電極C 三個區：發射區；參雜濃度大。 基區；很薄，參雜濃度很小。 集電區:參雜濃度小，但面積大。 這種特殊結構是三極管具有電流放大作用的內部依據。 二、類型 1.按結構區分：有NPN型和PNP型。2.按材料區分：有硅三極管和鍺三極管。 3.按工作頻率區分：有高頻三極管和低頻三極管。4.按功率大小區分：有大功率三極管和小功率三極管。 三、工作條件 三極管有電流放大作用大外部條件。 1.NPN型三極管：VC>VB>VE 2.PNP型三極管：VC 1.共發射極接法：發射極為交流輸入和輸出信號的公共端。2.共集電極接法：集電極為交流輸入和輸出信號的公共端。3.共基極接法： 基極為交流輸入和輸出信號的公共端。1.3.3 三極管的電流放大原理 一、載流子傳輸過程 以NPN型三極管為例進行分析。 1.發射。發射結正偏，發射區中的多子電子大量地向基區擴散，形成發射極電流。 2.復合。從發射區擴散到基區的電子，很少一部分與基區中的空穴相復合，形成基極電流的主要部分ICN。 3.收集。從發射區擴散到基區的電子，除很少部分被復合掉外，絕大部分電子向集電結擴散，且在集電結反偏電壓的作用下，迅速漂移過集電結被集電區所收集，形成集電極電流的主要部分。同時，集電區少子空穴在集電結反偏電壓的作用下向基區漂移，形成集電結反向飽和電流ICBO，它是集電極電流的極小部分，也是基極電流的一部分。如圖1-32所示。 二、各極電流的關系 IC=ICN+ICBO ICN=IC-ICBO IB=IBN-ICBO IBN=IB+ICBO IE≈ICN+IBN=IC-ICBO+IB+ICBO IE=IC+IB 三、電流放大系數 1.直流電流放大系數β β=ICN/IBN=(IC-ICBO)/(IB+ICBO)≈IC/IB(IC>>IB>>ICBO)2.交流電流放大系數β β≈ΔIC/ΔIB 3.穿透電流ICEO ICEO=(1+β)ICBO 1.3.4 三極管的特性曲線 一、輸入特性 iB=f(ube)∣UCE=常數 1.UCE =0V時 三極管的輸入特性曲線，相當于二級管的正向特性曲線，如圖1-34所示。2.UCE =1V時 三極管的輸入特性曲線將向右移。3.UCE >1V時 三極管的特性曲線幾乎與UCE =1V時的輸入特性曲線重合。 二、輸出特性 iC=f(uCE)∣IB=常數 輸出特性曲線有三個主要區域。如圖1-35所示。1.截止區 UBE≤0V,IB≤0,IC=ICEO,三極管幾乎不導通，叫截止狀態。2.放大區 UBE>0.5—0.7（硅管）,UBE>0.1—0.3V(鍺管)，UCE>>UBE,當UCE不變時，IC=βIB 3.飽和區 UBE>0.5—0.7（硅管）,UBE>0.1—0.3V(鍺管)，UCE 一、電流放大系數 β=ΔIC/ΔIB∣UCE=常數 二、極間反向電流 ICBO ICEO=(1+β)ICBO 三、極限參數 1.集電極最大允許電流ICM 2.集電極最大允許功率損耗PCM PCM=UCEIC 3.反向擊穿電壓 BUCBO>BUCEO>BUEBO 為了安全起見，應使三極管的UCE 四、溫度對三極管參數的影響 1.對VBE有影響 2.對ICBO和ICEO有影響 3.對β有影響 如溫度升高時，VBE↓,ICBO↑,ICEO↑,β↑；反之，亦反之。1.4 場效應三極管 場效應管(簡稱FET)是一種電壓控制(電場效應控制)器件(uGS~ iD)，工作時，只有一種(多數)載流子參與導電，因此它是單極型器件。 場效應管分為兩大類：絕緣柵場效應管和結型場效應管。1.4.1 結型場效應管 一、結構 在一塊N型半導體的兩邊利用雜質擴散出高濃度的P型區域,用P+表示,形成兩個P+N結。 N型半導體的兩端引出兩個電極，分別稱為漏極D和源極S。把兩邊的P區引出電極并連在一起稱為柵極G。 二、工作原理 首先，假如在G—S間加上反向電壓VGS，則PN結反向偏置。顯然,改變VGS將改變耗盡層的寬度。 其次，由于PN結兩邊，P區摻雜濃度很高，N區摻雜濃度相對較低；PN結中N區一側的正離子數與P區一側的負離子數相等，因而交界面兩側的寬度并不相等。摻雜程度低的N溝道層寬比P區層寬大很多。 故此,可以認為,當耗盡層展寬時主要向著導電溝道的一側。 UGS、UDS影響ID電流的大小。VGS越負，溝道越窄，VGD越負，溝道越窄。 三、特性曲線 JFET的特性曲線有兩條：轉移特性曲線和輸出特性曲線。 轉移特性描述柵源電壓UGS對漏極電流ID的控制作用。轉移特性有兩個重要參數：夾斷電壓UP和飽和漏極電流IDSS。 輸出特性描述當柵源電壓UGS不變時，漏極電流ID與漏源電壓UDS的關系。 1.4.2 絕緣柵型場效應管(IGFET)分為： 增強型 ? N溝道、P溝道 耗盡型 ? N溝道、P溝道 一、N溝道增強型MOS管 1.結構 四個電極：漏極D，源極S, 柵極G和 襯底B。 2.工作原理 ①柵源電壓UGS的控制作用 ②漏源電壓UDS對漏極電流ID的控制作用 3.特性曲線 ①輸出特性曲線： ID=f(UDS)?UGS=const ②轉移特性曲線： ID=f(UGS)?UDS=const 4．重要參數--跨導gm gm=?iD/?uGS?uDS=const(單位mS)gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用.在轉移特性曲線上，gm為的曲線的斜率。 二、N溝道耗盡型MOSFET 在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當UGS=0時，這些正離子已經感應出反型層，形成了溝道。特點：當UGS=0時,就有溝道，加入UDS，就有ID。 三、P溝道MOSFET P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。 四、例題 例1.4.1 絕緣柵場效應管工作狀態分析 1.4.3 場效應管的主要參數 一、直流參數 二、交流參數 三、極限參數 課堂討論： 1.何謂本征半導體？其導電能力由什么因素決定。2.P型和N型半導體的特點？ 3.半導體的導電能力與哪些因素有關？ 4.三極管如何實現放大功能？ 5.場效應管與三極管如何區分？ 小 結： 1．半導體材料中有兩種載流子：電子和空穴。電子帶負電，空穴帶正電。在純凈半導體中摻入不同的雜質，可以得到N型半導體和P型半導體。 2．采用一定的工藝措施，使P型和N型半導體結合在一起，就形成了PN結。PN結的基本特點是單向導電性。 3．二極管是由一個PN結構成的。其特性可以用伏安特性和一系列參數來描述。在研究二極管電路時，可根據不同情況，使用不同的二極管模型。 4．BJT是由兩個PN結構成的。工作時,有兩種載流子參與導電，稱為雙極性晶體管。BJT是一種電流控制電流型的器件,改變基極電流就可以控制集電極電流。BJT的特性可用輸入特性曲線和輸出特性曲線來描述。其性能可以用一系列參數來表征。BJT有三個工作區：飽和區、放大器和截止區。 5．FET分為JFET和MOSFET兩種。工作時只有一種載流子參與導電，因此稱為單極性晶體管。FET是一種電壓控制電流型器件。改變其柵源電壓就可以改變其漏極電流。FET的特性可用轉移特性曲線和輸出特性曲線來描述。其性能可以用一系列參數來表征。 布置作業:P45-1.3 P46-1.4；1.5；1.8 P47-1.12；1.13 P48-1.15 P49-1.19 《半導體器件物理》教學大綱 （2006版） 課程編碼：07151022 學時數：56 一、課程性質、目的和要求 半導體器件物理課是微電子學，半導體光電子學和電子科學與技術等專業本科生必修的主干專業基礎課。它的前修課程是固體物理學和半導體物理學，后續課程是半導體集成電路等專業課，是國家重點學科微電子學與固體電子學碩士研究生入學考試專業課。本課程的教學目的和要求是使學生掌握半導體器件的基本結構、物理原理和特性，熟悉半導體器件的主要工藝技術及其對器件性能的影響，了解現代半導體器件的發展過程和發展趨勢，對典型的新器件和新的工藝技術有所了解，為進一步學習相關的專業課打下堅實的理論基礎。 二、教學內容、要點和課時安排 第一章 半導體物理基礎（復習）（2學時） 第二節 載流子的統計分布 一、能帶中的電子和空穴濃度 二、本征半導體 三、只有一種雜質的半導體 四、雜質補償半導體 第三節 簡并半導體 一、載流子濃度 二、發生簡并化的條件 第四節 載流子的散射 一、格波與聲子 二、載流子散射 三、平均自由時間與弛豫時間 四、散射機構 第五節 載流子的輸運 一、漂移運動 遷移率 電導率 二、擴散運動和擴散電流 三、流密度和電流密度 四、非均勻半導體中的自建場 第六節 非平衡載流子 一、非平衡載流子的產生與復合 二、準費米能級和修正歐姆定律 三、復合機制 四、半導體中的基本控制方程：連續性方程和泊松方程 第二章 PN結（12學時）第一節 熱平衡PN結 一、PN結的概念：同質結、異質結、同型結、異型結、金屬－半導體結 突變結、緩變結、線性緩變結 二、硅PN結平面工藝流程（多媒體演示 圖2.1） 三、空間電荷區、內建電場與電勢 四、采用費米能級和載流子漂移與擴散的觀點解釋PN結空間電荷區形成的過程 五、利用熱平衡時載流子濃度分布與自建電勢的關系求中性區電勢 及PN結空間電荷區兩側的內建電勢差 六、解poisson’s Eq 求突變結空間電荷區內電場分布、電勢分布、內建電勢差和空間電荷區寬度（利用耗盡近似） 第二節 加偏壓的P?N結 一、畫出熱平衡和正、反偏壓下PN結的能帶圖，定性說明PN結的單向導電性 二、導出空間電荷區邊界處少子的邊界條件，解釋PN結的正向注入和反向抽取現象 第三節 理想P?N結的直流電流-電壓特性 一、解擴散方程導出理想PN結穩態少子分布表達式，電流分布表達式，電流－電壓關系 二、說明理想PN結中反向電流產生的機制（擴散區內熱產生載流子電流） 第四節 空間電荷區的復合電流和產生電流 一、復合電流 二、產生電流 第五節 隧道電流 一、隧道電流產生的條件 二、隧道二極管的基本性質（多媒體演示 Fig2.12） 第六節 I?V特性的溫度依賴關系 一、反向飽和電流和溫度的關系 二、I?V特性的溫度依賴關系 第七節耗盡層電容，求雜質分布和變容二極管 一、PN結C-V特性 二、過渡電容的概念及相關公式推導 求雜質分布的程序（多媒體演示 Fig2.19） 三、變容二極管 第八節 小訊號交流分析 一、交流小信號條件下求解連續性方程，導出少子分布，電流分布和總電流公式 二、擴散電容與交流導納 三、交流小信號等效電路 第九節 電荷貯存和反響瞬變 一、反向瞬變及電荷貯存效應 二、利用電荷控制方程求解?s 三、階躍恢復二極管基本理論 第十節 P-Ｎ結擊穿 一、PN結擊穿 二、兩種擊穿機制，PN結雪崩擊穿基本理論的推導 三、計算機輔助計算例題2－3及相關習題 第三章 雙極結型晶體管（10學時）第一節雙極結型晶體管的結構 一、了解晶體管發展的歷史過程 二、BJT的基本結構和工藝過程（多媒體 圖3.1）概述 第二節 基本工作原理 一、理想BJT的基本工作原理 二、四種工作模式 三、放大作用（多媒體Fig3.6） 四、電流分量（多媒體Fig3.7） 五、電流增益（多媒體Fig3.8 3.9） 第三節 理想雙極結型晶體管中的電流傳輸 一、理想BJT中的電流傳輸：解擴散方程求各區少子分布和電流分布 二、正向有源模式 三、電流增益～集電極電流關系 第四節 愛拜耳斯-莫爾（Ebers?Moll）方程 一、四種工作模式下少子濃度邊界條件及少子分布 二、E-M模型等效電路 三、E-M方程推導 第五節 緩變基區晶體管 一、基區雜質濃度梯度引起的內建電場及對載流子的漂移作用 二、少子濃度推導 三、電流推導 四、基區輸運因子推導 第六節 基區擴展電阻和電流集聚 一、基區擴展電阻 二、電流集聚效應 第七節 基區寬度調變效應 一、基區寬度調變效應（EARLY效應） 二、hFE和ICE0的改變 第八節 晶體管的頻率響應 一、基本概念：小信號共基極與共射極電流增益（?，hfe），共基極截止頻率和共射極截止頻率（Wɑ ,W?）,增益－頻率帶寬或稱為特征頻率（WT），二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推導 三、影響截止頻率的四個主要因素：τB、τE、τC、τD及相關推導 四、Kirk效應 第九節 混接?型等效電路 一、參數：gm、gbe、CD 的推導 二、等效電路圖（圖3－23） 三、證明公式（3－85）、（3－86） 第十節 晶體管的開關特性 一、開關作用 二、影響開關時間的四個主要因素：td、tr、tf、ts 三、解電荷控制方程求貯存時間ts 第十一節 擊穿電壓 一、兩種擊穿機制 二、計算機輔助計算：習題 閱讀 §3.12、§3.13、§3.14 第四章 金屬—半導體結（4學時）第一節肖特基勢壘 一、肖特基勢壘的形成 二、加偏壓的肖特基勢壘 三、M－S結構的C-V特性及其應用 第二節 界面態對勢壘高度的影響 一、界面態 二、被界面態鉗制的費米能級 第三節 鏡像力對勢壘高度的影響 一、鏡像力 二、肖特基勢壘高度降低 第四節肖特基勢壘二極管的電流電壓特性 一、熱電子發射 二、理查德-杜師曼方程 第五節 肖特基勢壘二極管的結構 一、簡單結構 二、金屬搭接結構 三、保護環結構 第六節 金屬-絕緣體-半導體肖特基勢壘二極管 一、基本結構 二、工作原理 第七節 肖特基勢壘二極管和PN結二極管之間的比較 一、開啟電壓 二、反向電流 三、溫度特性 第八節 肖特基勢壘二極管的應用 一、肖特基勢壘檢波器或混頻器 二、肖特基勢壘鉗位晶體管 第九節 歐姆接觸 一、歐姆接觸的定義和應用 二、形成歐姆接觸的兩種方法 第五章 結型場效應晶體管和金屬-半導體場效應晶體管（4學時）第一節JFET的基本結構和工作過程 一、兩種N溝道JFET 二、工作原理 第二節 理想JFET的I-V特性 一、基本假設 二、夾斷電壓 三、I-V特性 第三節 靜態特性 一、線性區 二、飽和區 第四節 小信號參數和等效電路 一、參數：gl gml gm CG 二、JFET小信號等效電路圖 第五節JFET的截止頻率 一、輸入電流和輸出電流 二、截止頻率 第六節 夾斷后的JFET性能 一、溝道長度調制效應 二、漏極電阻 第七節 金屬-半導體場效應晶體管 一、基本結構 二、閾值電壓和夾斷電壓 三、I-V特性 第八節 JFET和MESFET的類型 一、N—溝增強型 N—溝耗盡型 二、P—溝增強型 P—溝耗盡型 閱讀 §5.8 §5.9 第六章 金屬-氧化物-場效應晶體管（10學時）第一節 理想MOS結構的表面空間電荷區 一、MOSFET的基本結構（多媒體演示Fig6-1） 二、半導體表面空間電荷區的形成 三、利用電磁場邊界條件導出電場與電荷的關系公式（6－1） 四、載流子的積累、耗盡和反型 五、載流子濃度表達式 六、三種情況下MOS結構能帶圖 七、反型和強反型條件，MOSFET工作的物理基礎 第二節 理想MOS電容器 一、基本假設 二、C～V特性：積累區，平帶情況，耗盡區，反型區 三、溝道電導與閾值電壓：定義 公式（6－53）和（6－55）的推導 第三節 溝道電導與閾值電壓 一、定義 二、公式（6－53）和（6－55）的推導 第四節 實際MOS的電容—電壓特性 一、M-S功函數差引起的能帶彎曲以及相應的平帶電壓，考慮到M-S功函數差，MOS結構的能帶圖的畫法 二、平帶電壓的概念 三、界面電荷與氧化層內電荷引起的能帶彎曲以及相應的平帶電壓四、四種電荷以及特性平帶電壓的計算 五、實際MOS的閾值電壓和C～V曲線 第五節 MOS場效應晶體管 一、基本結構和工作原理 二、靜態特性 第六節 等效電路和頻率響應 一、參數：gd gm rd 二、等效電路 三、截止頻率 第七節 亞閾值區 一、亞閾值概念 二、MOSFET的亞閾值概念 第九節 MOS場效應晶體管的類型 一、N—溝增強型 N—溝耗盡型 二、P—溝增強型 P—溝耗盡型 第十節 器件尺寸比例 MOSFET制造工藝 一、P溝道工藝 二、N溝道工藝 三、硅柵工藝 四、離子注入工藝 第七章 太陽電池和光電二極管（6學時）第一節半導體中光吸收 一、兩種光吸收過程 二、吸收系數 三、吸收限 第二節 PN結的光生伏打效應 一、利用能帶分析光電轉換的物理過程（多媒體演示） 二、光生電動勢，開路電壓，短路電流，光生電流（光電流） 第三節 太陽電池的I-V特性 一、理想太陽電池的等效電路 二、根據等效電路寫出I-V公式，I-V曲線圖（比較：根據電流分量寫出I-V公式） 三、實際太陽能電池的等效電路 四、根據實際電池的等效電路寫出I-V公式 五、RS對I-V特性的影響 第四節 太陽電池的效率 一、計算 Vmp Imp Pm 二、效率的概念??FFVOCIL?100% Pin第五節 光產生電流和收集效率 一、“P在N上”結構，光照，GL???Oe??x少子滿足的擴散方程 二、例1－1，求少子分布，電流分布 三、計算光子收集效率：?col?JptJnG?O 討論：波長長短對吸收系數的影響 少子擴散長度和吸收系數對收集效率的影響 理解Fig7-9,Fig7-10所反映的物理意義 第六節 提高太陽能電池效率的考慮 一、光譜考慮(多媒體演示) 二、最大功率考慮 三、串聯電阻考慮 四、表面反射的影響 五、聚光作用 第七節 肖特基勢壘和MIS太陽電池 一、基本結構和能帶圖 二、工作原理和特點 閱讀 §7.8 第九節 光電二極管 一、基本工作原理 二、P-I-N光電二極管 三、雪崩光電二極管 四、金屬－半導體光電二極管 第十節 光電二極管的特性參數 一、量子效率和響應度 二、響應速度 三、噪聲特性、信噪比、噪聲等效功率（NEP） 四、探測率（D）、比探測率（D*）第八章 發光二極管與半導體激光器（4學時）第一節輻射復合與非輻射復合 一、輻射復合：帶間輻射復合，淺施主和主帶之間的復合，施主－受主對（D-A 對）復合，深能級復合，激子復合，等電子陷阱復合 二、非輻射復合：多聲子躍遷，俄歇過程（多媒體演示），表面復合 第二節 LED的基本結構和工作過程 一、基本結構 二、工作原理（能帶圖） 第三節 LED的特性參數 一、I-V特性 二：量子效率：注射效率?、輻射效率?r、內量子效率?i，逸出概率?o、外量子效率 三、提高外量子效率的途徑，光學窗口 四、光譜分布，峰值半高寬 FWHM,峰值波長，主波長，亮度 第四節 可見光LED 一、GaP LED 二、GaAs1-xPx LED 三、GaN LED 第五節 紅外 LED 一、性能特點 二、應用 光隔離器 閱讀§8.6 , §8.7 , §8.8 , §8.9 , §8.10(不做作業和考試要求)第九章 集成器件（閱讀，不做作業和考試要求）第十章 電荷轉移器件（4學時）第一節 電荷轉移 一、CCD基本結構和工作過程 二、電荷轉移 第二節 深耗盡狀態和表面勢阱 一、深耗盡狀態—非熱平衡狀態 二、公式（10-8）的導出 第三節 MOS電容的瞬態特性 深耗盡狀態的能帶圖 一、熱弛豫時間 二、信號電荷的影響 第四節 信息電荷的輸運 轉換效率 一、電荷轉移的三個因素 二、轉移效率、填充速率和排空率 第五節 電極排列和CCD制造工藝 一、三相CCD 二、二相CCD 第六節 體內（埋入）溝道CCD 一、表面態對轉移損耗和噪聲特性的影響 二、體內（埋入）溝道CCD的基本結構和工作原理 第七節 電荷的注入、檢測和再生 一、電注入與光注入 二、電荷檢測 電荷讀出法 三、電荷束的周期性再生或刷新 第八節 集成斗鏈器件 一、BBD的基本結構 二、工作原理 三、性能 第九節 電荷耦合圖象器件 一、行圖象器 二、面圖象器 三、工作原理和應用 三、教學方法 板書、講授、多媒體演示 四、成績評價方式 閉卷考試加平時作業、課堂討論 五、主要參考書目 1、孟慶巨、劉海波、孟慶輝編著 《半導體器件物理》，科學出版社，2005-6第二次印刷。 2、S M Sze.《半導體器件:物理和工藝》。王陽元、嵇光大、盧文豪譯。北京：科學出版社，1992 3、S M Sze.《現代半導體器件物理》科學出版社 2001年6月第一次印刷 4、愛得華·S·揚 《半導體器件物理基礎》，盧紀譯。北京：人民教育出版社，1981 5、劉文明 《半導體物理學》長春：吉林人民出版社，1982 6、孟憲章，康昌鶴.《半導體物理學》長春：吉林大學出版社，1993 7、R A史密斯.《半導體》(第二版).高鼎三等譯。北京：科學出版社，1987 8、Casey H C,Panish Jr M B.Heterostructure lasers.Academic Press,1978 9、Donald A·Nermen著《半導體物理與器件》 趙毅強，姚淑英，謝曉東譯 電子工業出版社，2005年2月第一次印刷第五篇：《半導體器件物理》教學大綱(精)
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